エピタキシャル基板
【課題】シリコン基板を下地基板とし、基板サイズに比して問題ない程度に反りが抑制され、半導体素子の作製に好適なエピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】エピタキシャル基板が、シリコン単結晶からなる下地基板と、下地基板の上に形成された複数のIII族窒化物層からなるIII族窒化物層群と、を備えており、下地基板が、所定のｎ型ドーパントが添加されてなることでｎ型の導電性を有し、かつ、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下であり、複数のIII族窒化物層がそれぞれ、少なくともＡｌまたはＧａを含み、エピタキシャル基板の反り量をＳＲ（単位：μｍ）、窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、下地基板の膜厚をｔｓ（単位：ｍｍ）、下地基板の直径をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数ＫがＫ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝≦１×１０-3なる関係式をみたすようにする。
【解決手段】エピタキシャル基板が、シリコン単結晶からなる下地基板と、下地基板の上に形成された複数のIII族窒化物層からなるIII族窒化物層群と、を備えており、下地基板が、所定のｎ型ドーパントが添加されてなることでｎ型の導電性を有し、かつ、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下であり、複数のIII族窒化物層がそれぞれ、少なくともＡｌまたはＧａを含み、エピタキシャル基板の反り量をＳＲ（単位：μｍ）、窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、下地基板の膜厚をｔｓ（単位：ｍｍ）、下地基板の直径をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数ＫがＫ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝≦１×１０-3なる関係式をみたすようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子用のエピタキシャル基板に関し、特にIII族窒化物を用いて構成されるエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界および高い飽和電子速度を有することから、ＬＥＤやＬＤなどの発光デバイスや、ＨＥＭＴなど高周波／ハイパワーの電子デバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板に用いる下地基板として、ＳｉＣのような、III族窒化物とは異なる組成の単結晶（異種単結晶）を用いる場合がある。この場合、歪み超格子層や低温成長緩衝層などの緩衝層が、初期成長層として下地基板の上に形成されるのが一般的である。よって、下地基板の上に障壁層、チャネル層、および緩衝層をエピタキシャル形成してなるのが、異種単結晶からなる下地基板を用いたＨＥＭＴ素子用基板の最も基本的な構成態様となる。これに加えて、障壁層とチャネル層の間に、２次元電子ガスの空間的な閉じ込めを促進することを目的として、厚さ１ｎｍ前後のスペーサ層が設けられることもある。スペーサ層は、例えばＡｌＮなどで構成される。さらには、ＨＥＭＴ素子用基板の最表面におけるエネルギー準位の制御や、電極とのコンタクト特性の改善を目的として、例えばｎ型ＧａＮ層や超格子層からなるキャップ層が、障壁層の上に形成される場合もある。
【０００４】
ＨＥＭＴ素子およびＨＥＭＴ素子用の基板に対しては、電力密度の増大、高効率化などの性能向上に関する課題、ノーマリーオフ動作化などの機能性向上に関する課題、高信頼性や低コスト化などの基本的な課題など、様々な課題があり、各々について活発な取り組みが行われている。
【０００５】
一方、エピタキシャル基板の低コスト化、さらにはシリコン系回路デバイスとの集積化などを目的として、上記のような窒化物デバイスを作製するにあたって単結晶シリコンを下地基板として用いる研究・開発が行われている（例えば、特許文献１ないし特許文献３、および非特許文献２参照）。ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板の下地基板にシリコンのような導電性の材料を選んだ場合には、下地基板の裏面からフィールドプレート効果が付与されるので、高耐電圧や高速スイッチングが可能なＨＥＭＴ素子の設計が可能となる。
【０００６】
特に、特許文献１ないし特許文献３においては、エピタキシャル基板の作製に、様々な比抵抗を持つシリコン基板が用いられている。特許文献１には、寄生損失の低減を図ることを目的として、１０2Ω・ｃｍを越える比抵抗を有するシリコン基板を用いる態様が開示されている。特許文献２には、シリコン基板へのリーク電流の低減を図ることを目的として、１．０Ω・ｃｍ〜５００Ω・ｃｍ程度の比抵抗を有するシリコン基板を用いる態様が開示されている。特許文献３には、一様な断面形状を得ることを目的として、０．０１Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有するｐ型シリコン基板を用いる態様が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００８−５２２４４７号公報
【特許文献２】特開２００３−０５９９４８号公報
【特許文献３】特許第４５１９１９６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"Highly Reliable 250W GaN High Electron Mobility Transistor Power Amplifier" Toshihide Kikkawa, Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005), 4896.
【非特許文献２】"High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdown voltage of over 1.8kV on 4 inch Si substrates and the suppression of current collapse", Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, Sadahiro Kato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semicoductor Devices & IC's May 18-22,2008 Oralando, FL", pp.287-290
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１および特許文献２に開示されているような、比較的高抵抗のシリコン基板を用いた場合、エピタキシャル基板には、シリコン基板とその上に形成されるIII族窒化物膜との格子定数差および熱膨張係数差に起因する内部応力が発生する。そのため、エピタキシャル基板は、例えば断面が波形となるような、いびつな形状に変形する。このように変形したエピタキシャル基板を電子デバイスの作製に供することは、当該デバイスの作製工程において、吸着不良や露光不良の原因となるため、好ましくない。
【００１０】
一方、特許文献３に開示された技術を用いた場合、｜｜ＢＯＷ｜−ＳＯＲＩ｜≦２μｍなる関係式をみたすことで、上述のようないびつな形状への変形は抑制されるが、例えば断面が弓形になる一様な反り（湾曲）は許容される。ところが、エピタキシャル基板のサイズによっては、そのような一様な反りも問題となる。例えば、基板直径が小さいにもかかわらず反りが大きいエピタキシャル基板は、たとえ上式をみたしていたとしても、実用に耐えるものとはなり難い。すなわち、特許文献３においては、エピタキシャル基板のサイズと変形との関係が考慮されていない。
【００１１】
なお、特許文献３においては、反りの矯正について示唆されているが、これは、エピタキシャル基板およびこれを用いたデバイスの作製プロセスにおいて本来的には不要であり、そのような工程を行うことは製造コストを押し上げる要因となるので、好ましくない。
【００１２】
また、ＨＥＭＴ素子のような半導体素子は、通常、所定のパターニングが施された一枚のエピタキシャル基板が複数の素子体に切り出されることによって作製される。反りのあるエピタキシャル基板を用いて作製されたＨＥＭＴ素子には特性不良が生じやすいため、製造歩留まりを確保するという観点からも、エピタキシャル基板には、反りが少なく平坦性が高いことが求められる。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、シリコン基板を下地基板とし、基板サイズに比して問題ない程度に反りが抑制され、半導体素子の作製に好適なエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、シリコン単結晶からなる下地基板と、前記下地基板の上に形成された複数のIII族窒化物層からなるIII族窒化物層群と、を備えるエピタキシャル基板であって、前記下地基板は、所定のｎ型ドーパントが添加されてなることでｎ型の導電性を有し、かつ、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下であり、前記複数のIII族窒化物層はそれぞれ、少なくともＡｌまたはＧａを含み、前記エピタキシャル基板の反り量をＳＲ（単位：μｍ）、前記窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、前記下地基板の膜厚をｔｓ（単位：ｍｍ）、前記下地基板の直径をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数ＫがＫ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝≦１×１０-3なる関係式をみたすことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、前記ｎ型ドーパントがアンチモンまたはヒ素であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、前記III族窒化物層群が、前記下地基板の上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上に形成された機能層と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３に記載のエピタキシャル基板であって、前記機能層が、ＧａＮからなるチャネル層と、前記チャネル層の上に形成された、ＡｌＧａＮもしくはＩｎＡｌＮからなる障壁層と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、前記機能層が、前記チャネル層と前記障壁層との間に、ＡｌＮからなるスペーサ層、をさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１ないし請求項５の発明によれば、下地基板のサイズおよびIII族窒化物層群の膜厚に応じて問題ない程度に反りが抑制されたエピタキシャル基板が実現される。
【００２０】
特に、請求項４および請求項５の発明によれば、エピタキシャル基板を用いてＨＥＭＴ素子を作製した際に、素子特性要件をみたすＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を示す断面模式図である。
【図２】シリコン単結晶にアンチモン、ヒ素、リンを添加した場合のシリコン単結晶中の各元素の原子濃度とシリコン単結晶の比抵抗との関係を示す図である。
【図３】下地基板１の比抵抗ρとエピタキシャル基板１０の規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図４】窒化物層群の総膜厚ｔｅと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図５】下地基板１の直径ｄｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図６】下地基板１の厚みｔｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図７】図３に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０の素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図８】図４に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０の素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図９】図５および図６に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０の素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜エピタキシャル基板の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１０は、下地基板１の上に、いずれもIII族窒化物からなる下地層２と超格子層３と機能層４とをこの順にエピタキシャル形成した構成を有する。なお、下地層２と超格子層３とを合わせてバッファ層とも称する。
【００２３】
下地基板１は、シリコン単結晶からなる。また、下地基板１は、ｎ型の導電型を呈し、かつ、０．１Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有する。係る導電型および比抵抗は、下地基板１に例えばアンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）などのｎ型ドーパントを添加することで実現されてなる。図２は、シリコン単結晶にアンチモン、ヒ素、リンを添加した場合のシリコン単結晶中の各元素の原子濃度（ドーパント濃度）とシリコン単結晶の比抵抗との関係を示す図である。図２に示すように、これらのドーパントをおよそ１．０×１０17／ｃｍ3以上の原子濃度で添加した場合に、シリコン単結晶は０．１Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有する。ｎ型ドーパントのドーパント濃度を高めるほど、下地基板１の比抵抗を小さくすることができる。例えば、アンチモンについては、少なくとも７×１０18／ｃｍ3程度までは問題なくドープすることができ、これにより、下地基板１の比抵抗は０．００８Ω・ｃｍにまで低められる。ヒ素については、少なくとも８×１０19／ｃｍ3程度までは問題なくドープすることができ、これにより、下地基板１の比抵抗は０．００１Ωｃｍにまで低められる。なお、リンについては、２．０×１０17／ｃｍ3という原子濃度でドープした場合に下地基板１の比抵抗が０．０５Ωｃｍとなるが、さらなるドープを行ってより比抵抗が小さい下地基板１を得ることは困難である。
【００２４】
下地基板１へのｎ型ドーパントの添加は、種々の手法によって実現可能である。例えば、シリコンインゴットをチョクラルスキー法で作製する際に、シリコン融液内にアンチモン、ヒ素、あるいはリンを添加することなどにより行うことができる。
【００２５】
窒化物層群の形成の容易性の点からは、（１１１）面シリコン単結晶を下地基板１として用いるのが好ましいが、他の結晶面を有するシリコン単結晶を用いる態様であってもよい。
【００２６】
下地層２と、超格子層３と、機能層４とは、それぞれ、ウルツ鉱型のIII族窒化物を（０００１）結晶面が下地基板１の基板面に対し略平行となるように、エピタキシャル成長手法によって形成した層である。これらの層の形成は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により行うのが好適な一例である。
【００２７】
下地層２は、その上に上述の各層を良好な結晶品質で形成することを可能とするべく設けられる層である。下地層２は、第１下地層２ａと、その上に積層された第２下地層２ｂとからなる。第１下地層２ａは、ＡｌＮにて数十ｎｍから百数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。第２下地層２ｂは、ＡｌpＧａ1-pＮ（０≦ｐ＜１）なる組成のIII族窒化物にて数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。
【００２８】
超格子層３は、それぞれが相異なる組成の２種類のIII族窒化物層である第１単位層３１と第２単位層３２とを繰り返し交互に積層することにより形成されてなる、超格子構造を有する部位である。なお、１つの第１単位層３１と１つの第２単位層３２との組をペア層と称する。超格子層３は、エピタキシャル基板１０の耐電圧性を高める目的で設けられてなる。
【００２９】
第１単位層３１と第２単位層３２とは、前者を構成するIII族窒化物よりも後者を構成するIII族窒化物の方が無歪の状態（バルク状態）における面内格子定数（格子長）が大きい、という関係をみたすように形成されてなる。
【００３０】
第１単位層３１は、３ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好ましい。典型的には５ｎｍ〜１０ｎｍの厚みに形成される。一方、第２単位層３２は、１０ｎｍ〜２５ｎｍ程度であるのが好適である。また、ペア層の繰り返し数は、５〜百数十程度である。
【００３１】
好ましくは、第１単位層３１はＡｌＮにて構成され、第２単位層３２はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて構成される。
【００３２】
機能層４は、超格子層３の上に形成された、III族窒化物により形成される少なくとも１つの層であり、エピタキシャル基板１０の上にさらに所定の半導体層や電極などを形成することで半導体素子を構成する場合において、所定の機能を発現する層である。それゆえ、機能層４は、当該機能に応じた組成および厚みを有する１または複数の層にて形成される。
【００３３】
図１においては、エピタキシャル基板１０がＨＥＭＴ素子用の基板として用いられることを想定して、機能層４を、チャネル層４ａとスペーサ層４ｂと障壁層４ｃとの積層構造として設けた場合を例示している。チャネル層４ａは、高抵抗のＧａＮにて数μｍ程度の厚みに形成される。スペーサ層４ｂは、ＡｌＮにて１ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。障壁層４ｃは、ＡｌＧａＮやＩｎＡｌＮなどにて数十ｎｍ程度の厚みに形成される。なお、スペーサ層を備えない構造であってもよい。
【００３４】
＜エピタキシャル基板の製造方法＞
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合を例として、エピタキシャル基板１０を製造する方法について概説する。
【００３５】
まず、下地基板１として、アンチモン、ヒ素、あるいはリンなどのｎ型ドーパントの添加によって比抵抗が所定の値に調整された（１１１）面の単結晶シリコンウェハーを用意する。係る単結晶シリコンウェハーをフッ素水素酸水溶液にて洗浄する。その後、該水溶液が除去された単結晶シリコンウェハーをＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットする。
【００３６】
そして、水素および窒素雰囲気中で単結晶シリコンウェハーを加熱し、それぞれの層に応じた基板温度とガス雰囲気および圧力のもとで、下地層２、超格子層３、および機能層４を順次に形成する。
【００３７】
III族窒化物層を形成するための原料ガスとしては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いることができる。
【００３８】
機能層４が形成された後、エピタキシャル基板１０は、リアクタ内で常温まで降温される。その後、リアクタから取り出されたエピタキシャル基板１０は、適宜、後段の処理（電極層のパターニングなど）に供される。
【００３９】
＜規格化反り指数＞
次に、本実施の形態において用いる規格化反り指数について説明する。規格化反り指数とは、エピタキシャル基板１０の反りの程度を表す指数であり、値が大きいほど、エピタキシャル基板１０が反っていることを表す。
【００４０】
エピタキシャル基板１０の反り量（単純反り量）をＳＲ（単位：μｍ）、窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、下地基板１の厚みをｔｓ（単位：ｍｍ）、下地基板１の直径（つまりはエピタキシャル基板１０の直径）をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数Ｋは、
Ｋ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝ ・・・・（１）
なる式にて算出される。ここで、単純反り量とは、一般的に反りの程度を表す値として用いられる、エピタキシャル基板１０を水平面に載置したときに、その鉛直方向最下点の位置（つまりは水平面の位置）から鉛直方向最上点の位置までの鉛直方向の距離である。単純反り量は、例えば、レーザー変位計を用いて測定される。あるいは、ノギスなどによって概略的な値を得ることできる。
【００４１】
（１）式に示すように、規格化反り指数は、窒化物層群の膜厚、下地基板１の直径、および下地基板１の厚みの３つの値を算出式に含んでいる。従って、それら３つの値が異なっているエピタキシャル基板１０同士であっても、反りの度合いを比較することができる点で特徴的である。
【００４２】
例えば、仮に単純反り量ＳＲ、窒化物層群の総膜厚ｔｅ、および下地基板１の厚みｔｓが同じであっても、下地基板１の直径（つまりはエピタキシャル基板１０の直径）ｄｓが小さいほど、（１）式で得られる規格化反り指数Ｋの値は大きくなる。これは、単純反り量ＳＲが同じであれば、直径が小さいエピタキシャル基板１０ほど、実質的にはより反っている、換言すれば、基板全体としての平坦性（平板性）が劣っている、ということを意味している。
【００４３】
このように、（１）式で得られる規格化反り指数Ｋを用いることで、サイズが異なるエピタキシャル基板１０同士であっても、反りの度合いを比較することが可能となる。
【００４４】
＜エピタキシャル基板の反り評価＞
次に、上述の構成を有する本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０を規格化反り指数Ｋに基づいて評価した場合の反りの度合いについて説明する。
【００４５】
図３は、下地基板１の比抵抗ρとエピタキシャル基板１０の規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図３に示す結果は、アンチモン、ヒ素、あるいはリンの添加量を違えることによって比抵抗を種々に違えた複数の下地基板１に、同一の条件で窒化物層群を形成することによって作製した複数のエピタキシャル基板１０について、規格化反り指数Ｋを求めることにより得られたものである。
【００４６】
図３からは、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０のように、下地基板１の比抵抗を０．１Ω・ｃｍ以下とした場合に、規格化反り指数Ｋがおよそ１×１０-3以下となることがわかる。また、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下である場合、比抵抗の値が同じであればＳｂドープがもっとも規格化反り指数Ｋの値が小さくなることもわかる。
【００４７】
また、図４は、窒化物層群の総膜厚ｔｅと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図４は、比抵抗が０．０２Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、または０．１Ω・ｃｍとなるようにアンチモンの添加量を調整した下地基板１を用意したうえで、窒化物層群の総膜厚を違えたエピタキシャル基板１０を作製し、それぞれについて規格化反り指数Ｋを求めることにより得られたものである。
【００４８】
さらに、図５は、下地基板１の直径ｄｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図６は、下地基板１の厚みｔｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図５および図６に示す結果は、直径と厚みを違えた下地基板１を用意し、比抵抗が０．０２Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、または０．１Ω・ｃｍとなるようにアンチモンの添加量を調整したうえで、エピタキシャル基板１０を作製し、それぞれについて規格化反り指数Ｋを求めることにより得られたものである。
【００４９】
図３ないし図６に示す結果は、本実施の形態のように、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下のｎ型の導電性を呈する下地基板１を用いることで、窒化物層群の総膜厚、下地基板１の直径、または下地基板１の厚みが異なっていても、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下という反りの少ないエピタキシャル基板１０を得ることが可能であることを意味している。
【００５０】
なお、図４では、比抵抗が０．１Ω・ｃｍの下地基板１を用いる場合、窒化物層群の総膜厚が３μｍを下回ると規格化反り指数Ｋが急激に増大している。このことは、比抵抗が０．１Ω・ｃｍである下地基板１を用いる場合、反りを抑制するには窒化物層群を厚く形成するのが好ましいことを示している。
【００５１】
＜ＨＥＭＴ素子の作製におけるエピタキシャル基板の反り抑制効果＞
次に、エピタキシャル基板１０の反りの抑制が、ＨＥＭＴ素子の作製に際して奏する効果について説明する。
【００５２】
ＨＥＭＴ素子が実用に供し得るものであるためには、二次元電子ガス濃度、二次元電子ガス移動度、コンタクト抵抗、およびゲートリーク電流などの諸特性が良好であることが必要である。具体的には、少なくとも次の４つの基準をクリアすることが求められる。
【００５３】
（基準１）二次元電子ガス濃度が２．０×１０13ｃｍ-2以上；
（基準２）二次元電子ガス移動度が１３００ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1以上；
（基準３）コンタクト抵抗が１０×１０-6Ωｃｍ2以下；
（基準４）−１００Ｖ印加時のゲートリーク電流が１．０μＡｍｍ-1以下。
【００５４】
以下、これら４つの基準を素子特性基準と総称する。エピタキシャル基板１０を用いて作製したＨＥＭＴ素子は、係る素子特性基準をみたすことが求められる。しかも、ＨＥＭＴ素子は通常、１枚のエピタキシャル基板１０から多数個取りされるので、個々のエピタキシャル基板１０についてみれば、該基板から得られる全てのＨＥＭＴ素子のうち、素子特性基準をみたすＨＥＭＴ素子の比率が高いことが求められる。以下、係る比率を素子特性歩留まりと称する。
【００５５】
図７は、図３に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０から複数個のＨＥＭＴ素子を作製し、それぞれの二次元電子ガス濃度、二次元電子ガス移動度、コンタクト抵抗、およびゲートリーク電流を測定することにより得られた、エピタキシャル基板１０ごとの素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。同様に、図８は、図４に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０についての素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。また、図９は、図５および図６に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０についての素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【００５６】
図７ないし図９に示す結果からは、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下であるエピタキシャル基板１０については、８０％以上という優れた素子特性歩留まりが実現されているのに対して、規格化反り指数Ｋが１×１０-3を上回るエピタキシャル基板１０については、素子特性歩留まりが悪いことがわかる。
【００５７】
係る結果は、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下という反りの小さいエピタキシャル基板１０を用いることで、高い素子特性歩留まりにてＨＥＭＴ素子を作製出来ることを意味している。すなわち、規格化反り指数Ｋと素子特性歩留まりとの間には相関がある。換言すれば、規格化反り指数Ｋは、エピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴ素子を作製する際の素子特性歩留まりの評価指標ともなる。
【００５８】
また、上述したように、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下となるエピタキシャル基板１０は、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下のｎ型の導電性を呈する下地基板１を用いることで実現される。従って、係る要件をみたす下地基板１を用いてエピタキシャル基板１０を作製すれば、高い素子特性歩留まりにてＨＥＭＴ素子を作製出来ることになる。
【００５９】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下のｎ型の導電性を呈する下地基板１を用いてエピタキシャル基板を作製することで、下地基板のサイズおよびIII族窒化物層群の膜厚に応じて問題ない程度に反りが小さく、高い素子特性歩留まりにてＨＥＭＴ素子を作製出来るエピタキシャル基板が実現される。
【実施例】
【００６０】
作製条件を違えた種々のエピタキシャル基板１０を作製し、単純反り量ＳＲを測定してそれぞれの規格化反り指数Ｋを求めた。さらに、それぞれのエピタキシャル基板１０から多数個のＨＥＭＴ素子を作製して、二次元電子ガス濃度測定、二次元電子ガス移動度測定、コンタクト抵抗測定、およびゲートリーク電流測定を行い、その結果から、それぞれのエピタキシャル基板１０についての素子特性歩留まりを評価した。
【００６１】
（実験例１ないし実験例３）
実験例１として、下地基板１として、アンチモンの添加量（原子濃度）を違えることで異なる比抵抗を有する複数のｎ型シリコン（１１１）面単結晶基板を用意し、これを用いて４種類のエピタキシャル基板１０を作製した（試料Ｎｏ．１−１〜１−４）。それぞれの下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓは１００ｍｍ、厚みｔｓは０．６２５ｍｍであった。
【００６２】
比抵抗は、０．００５Ω・ｃｍ、０．０１Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、０．１Ω・ｃｍの４水準に違えた。それぞれの比抵抗を与えるアンチモンの原子濃度は、順に、５．０×１０18／ｃｍ3、１．５×１０18／ｃｍ3、３．０×１０17／ｃｍ3、１．０×１０17／ｃｍ3であった。
【００６３】
また、実験例２として、ヒ素の添加量（原子濃度）を違えることで異なる比抵抗を有する複数のｎ型シリコン（１１１）面単結晶基板を用意し、これを用いて６種類のエピタキシャル基板１０を作製した（試料Ｎｏ．２−１〜２−６）。それぞれの下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓは１００ｍｍ、厚みｔｓは０．６２５ｍｍであった。
【００６４】
比抵抗は、０．００３Ω・ｃｍ、０．０１Ω・ｃｍ、０．０２Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、０．１Ω・ｃｍ、０．２Ω・ｃｍの６水準に違えた。それぞれの比抵抗を与えるヒ素の原子濃度は、順に、２．４×１０19／ｃｍ3、４．１×１０18／ｃｍ3、１．２×１０18／ｃｍ3、２．３×１０17／ｃｍ3、８．０×１０16／ｃｍ3、３．２×１０16／ｃｍ3であった。
【００６５】
さらに、実験例３として、リンの添加量（原子濃度）を違えることで異なる比抵抗を有する複数のｎ型シリコン（１１１）面単結晶基板を用意し、これを用いて３種類のエピタキシャル基板１０を作製した（試料Ｎｏ．３−１〜３−３）。それぞれの下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓは１００ｍｍ、厚みｔｓは０．６２５ｍｍであった。
【００６６】
比抵抗は、０．０５Ω・ｃｍ、０．１Ω・ｃｍ、０．５Ω・ｃｍの３水準に違えた。それぞれの比抵抗を与えるリンの原子濃度は、順に、２．０×１０17／ｃｍ3、８．０×１０16／ｃｍ3、１．０×１０16／ｃｍ3であった。
【００６７】
それぞれのエピタキシャル基板の作製に際しては、まず、下地基板１をフッ素水素酸水溶液にて洗浄した。そして、フッ素水素酸水溶液が除去された下地基板１をＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットした。
【００６８】
これを水素及び窒素雰囲気中で加熱して、基板温度を１１００℃とした。基板温度が１１００℃になると、これを保った状態で、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ3）の供給量を各層の組成に合わせて調整することにより窒化物層群を形成した。具体的には、第１下地層２ａとしての膜厚１００ｎｍのＡｌＮ層と、第２下地層２ｂとしての膜厚５０ｎｍのＡｌＧａＮ層と、第１単位層３１として膜厚５ｎｍのＡｌＮ層と第２単位層３２としての膜厚２０ｎｍのＡｌＧａＮ層とを交互に７４ペア積層させて形成した総膜厚が１８５０ｎｍの超格子層３と、チャネル層４ａとしての膜厚９８９ｎｍのＧａＮ層と、スペーサ層４ｂとしての膜厚１ｎｍのＡｌＮ層と、障壁層４ｃとしての膜厚１０ｎｍのＩｎＡｌＮ層とからなる総膜厚１０００ｎｍの機能層４とをこの順に積層形成した。これにより、窒化物層群の総膜厚が３０００ｎｍのエピタキシャル基板１０が得られた。
【００６９】
得られたそれぞれのエピタキシャル基板１０について、レーザー変位計を用いて単純反り量ＳＲを測定した。得られた値を用いて、規格化反り指数Ｋを算出した。
【００７０】
さらに、それぞれのエピタキシャル基板１０を用いて、多数個のＨＥＭＴ素子を作製した。なお、ＨＥＭＴ素子は、ゲート幅が１ｍｍ、ソース−ゲート間隔が０．５μｍ、ゲート−ドレイン間隔が７．５μｍ、ゲート長が１．５μｍとなるように設計した。
【００７１】
まず、フォトリソグラフィプロセスとＲＩＥ法を用いて、エピタキシャル基板１０において個々のＨＥＭＴ素子の境界となる部位を深さ４００ｎｍ程度までエッチング除去した。
【００７２】
次に、エピタキシャル基板１０の上に厚さ１０ｎｍのＳｉＯ2膜を形成し、続いてフォトリソグラフィを用いてソース電極、ドレイン電極の形成予定箇所のＳｉＯ2膜をエッチング除去することで、ＳｉＯ2パターン層を得た。
【００７３】
次いで、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとを用い、ソース電極、ドレイン電極の形成予定箇所にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／７５／１５／１００ｎｍ）からなる金属パターンを形成することで、ソース電極およびドレイン電極を形成した。次いで、ソース電極およびドレイン電極のオーミック性を良好なものにするために、８００℃の窒素ガス雰囲気中にて３０秒間の熱処理を施した。
【００７４】
その後、フォトリソグラフィプロセスを用いて、ＳｉＯ2パターン層から、ゲート電極の形成予定箇所のＳｉＯ2膜を除去し、さらに真空蒸着法とフォトリソグラフィとを用いて、該形成予定箇所に、Ｐｄ／Ａｕ（それぞれの膜厚は３０／１００ｎｍ）からなるショットキー性金属パターンとしてゲート電極を形成した。
【００７５】
続いて、デバイス特性の測定を可能とするため、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィプロセスとを用いて、窒化シリコンのパッシベーション膜をエピタキシャル基板１０の上に形成したうえで、該パッシベーション膜のソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極に対応する位置にワイヤボンディング用のコンタクトホールを開けた。
【００７６】
最後にダイシングによりチップ化することで、ＨＥＭＴ素子を得た。
【００７７】
このようにして得られたそれぞれのＨＥＭＴ素子について、ワイヤボンディングを行った上で、ホール効果法により、二次元電子ガス濃度と二次元電子ガス移動度とを測定した。また、ＴＬＭ法によりコンタクト抵抗を測定し、2-terminal gate-drain I-V測定法により−１００Ｖ印加時のゲートリーク電流を測定した。これらの測定結果から、それぞれのエピタキシャル基板１０について、作製した全てのＨＥＭＴ素子に対する上述の（基準１）〜（基準４）を全て満たすＨＥＭＴ素子の比率を、素子特性歩留まりとして求めた。
【００７８】
表１に、それぞれのエピタキシャル基板１０についての、下地基板１の比抵抗、下地基板１におけるｎ型ドーパントの種類とその原子濃度、単純反り量ＳＲ、規格化反り指数Ｋ、および素子特性歩留まりを一覧にして示す。なお、これら実験例１ないし実験例３の結果に基づき作成したのが、図２、図３、図７である。
【００７９】
【表１】
【００８０】
表１さらには図３、図７に示すように、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の場合、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。すなわち、反りが抑制され、かつ、ＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで作製可能なエピタキシャル基板が得られることが確認された。
【００８１】
（実験例４）
バッファ層の厚みを違えることで、III族窒化物層群の総膜厚ｔｅを種々に違えた他は、実験例１の試料Ｎｏ．１−２（比抵抗ρ＝０．０２Ω・ｃｍ）、１−３（比抵抗ρ＝０．０５Ω・ｃｍ）、および１−４（比抵抗ρ＝０．１Ω・ｃｍ）と同様の条件でそれぞれ５種ずつ計１５種のエピタキシャル基板１０を作製（試料Ｎｏ．４−１〜４−１５）し、さらに係るエピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴを作製した。なお、試料Ｎｏ．４−３のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−２のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．４−８のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−３のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．４−１３のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−４のエピタキシャル基板１０に相当する。
【００８２】
具体的には、超格子層３におけるペア層の数を違えることで、III族窒化物層群の総膜厚ｔｅの値を違えた。各試料における超格子層３のペア数と総膜厚の関係は以下の通りである。
【００８３】
試料Ｎｏ．４−１、４−６、４−１１：１４ペア、総膜厚１．５μｍ；
試料Ｎｏ．４−２、４−７、４−１２：３４ペア、総膜厚２．０μｍ；
試料Ｎｏ．４−３、４−８、４−１３：７４ペア、総膜厚３．０μｍ；
試料Ｎｏ．４−４、４−９、４−１４：１１４ペア、総膜厚４．０μｍ；
試料Ｎｏ．４−５、４−１０、４−１５：１５４ペア、総膜厚５．０μｍ。
【００８４】
表２に、それぞれのエピタキシャル基板１０についての、下地基板１の比抵抗、下地基板１におけるアンチモンの原子濃度、バッファ層厚および窒化物層群の総膜厚ｔｅ、単純反り量ＳＲ、規格化反り指数Ｋ、および素子特性歩留まりを一覧にして示す。なお、これら実験例５の結果に基づき作成したのが図４、図８である。
【００８５】
【表２】
【００８６】
表２さらには図４、図８に示すように、下地基板１の比抵抗が０．０２Ω・ｃｍであるＮｏ．４−１〜４−５の試料と下地基板１の比抵抗が０．０５Ω・ｃｍであるＮｏ．４−６〜４−１０の試料については全て、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。また、比抵抗が０．１Ω・ｃｍの場合においても、総膜厚ｔｅが大きい試料Ｎｏ．４−１３ないし４−１５については、規格化反り指数Ｋの値は１×１０-3以下で、素子特性歩留まりが８０％を上回った。
【００８７】
係る結果は、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の場合には、窒化物層群の総膜厚を下地基板１の比抵抗に応じて定めることで、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下という反りが抑制されたエピタキシャル基板１０を得ることが可能であること、および、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下のエピタキシャル基板については、ＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで作製可能であることを示している。
【００８８】
（実験例５）
下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓと厚みｔｓとを種々に違えた他は、実験例１の試料Ｎｏ．１−２（比抵抗ρ＝０．０２Ω・ｃｍ）、１−３（比抵抗ρ＝０．０５Ω・ｃｍ）、および１−４（比抵抗ρ＝０．１Ω・ｃｍ）と同様の条件でそれぞれ６種ずつ計１８種のエピタキシャル基板１０を作製（試料Ｎｏ．５−１〜５−１８）し、さらに係るエピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴを作製した。なお、試料Ｎｏ．５−４のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−２のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．５−１０のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−３のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．５−１６のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−４のエピタキシャル基板１０に相当する。
【００８９】
表３に、それぞれのエピタキシャル基板１０についての、下地基板１の比抵抗、下地基板１におけるアンチモンの原子濃度、下地基板１の直径ｄｓ、下地基板１の膜厚ｔｅ、単純反り量ＳＲ、規格化反り指数Ｋ、および素子特性歩留まりを一覧にして示す。なお、これら実験例５の結果に基づき作成したのが図５、図６、図９である。
【００９０】
【表３】
【００９１】
表３さらには図５、図６、図９に示すように、下地基板１の比抵抗が０．０２Ω・ｃｍであるＮｏ．５−１〜５−６の試料と下地基板１の比抵抗が０．０５Ω・ｃｍであるＮｏ．５−７〜５−１２の試料については全て、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。一方、比抵抗が０．１Ω・ｃｍの場合、Ｎｏ．５−１３の試料についてのみ、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3を上回り、素子特性歩留まりは８０％を下回ったが、他の試料については、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。
【００９２】
係る結果は、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の場合には、下地基板１の直径および厚みを下地基板１の比抵抗に応じて定めることで、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下という反りが抑制されたエピタキシャル基板１０を得ることが可能であること、および、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下のエピタキシャル基板については、ＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで作製可能であることを示している。
【符号の説明】
【００９３】
１ 下地基板
２ 下地層
２ａ 第１下地層
２ｂ 第２下地層
３ 超格子層
３１ 第１単位層
３２ 第２単位層
４ 機能層
４ａ チャネル層
４ｂ スペーサ層
４ｃ 障壁層
１０ エピタキシャル基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子用のエピタキシャル基板に関し、特にIII族窒化物を用いて構成されるエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界および高い飽和電子速度を有することから、ＬＥＤやＬＤなどの発光デバイスや、ＨＥＭＴなど高周波／ハイパワーの電子デバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板に用いる下地基板として、ＳｉＣのような、III族窒化物とは異なる組成の単結晶（異種単結晶）を用いる場合がある。この場合、歪み超格子層や低温成長緩衝層などの緩衝層が、初期成長層として下地基板の上に形成されるのが一般的である。よって、下地基板の上に障壁層、チャネル層、および緩衝層をエピタキシャル形成してなるのが、異種単結晶からなる下地基板を用いたＨＥＭＴ素子用基板の最も基本的な構成態様となる。これに加えて、障壁層とチャネル層の間に、２次元電子ガスの空間的な閉じ込めを促進することを目的として、厚さ１ｎｍ前後のスペーサ層が設けられることもある。スペーサ層は、例えばＡｌＮなどで構成される。さらには、ＨＥＭＴ素子用基板の最表面におけるエネルギー準位の制御や、電極とのコンタクト特性の改善を目的として、例えばｎ型ＧａＮ層や超格子層からなるキャップ層が、障壁層の上に形成される場合もある。
【０００４】
ＨＥＭＴ素子およびＨＥＭＴ素子用の基板に対しては、電力密度の増大、高効率化などの性能向上に関する課題、ノーマリーオフ動作化などの機能性向上に関する課題、高信頼性や低コスト化などの基本的な課題など、様々な課題があり、各々について活発な取り組みが行われている。
【０００５】
一方、エピタキシャル基板の低コスト化、さらにはシリコン系回路デバイスとの集積化などを目的として、上記のような窒化物デバイスを作製するにあたって単結晶シリコンを下地基板として用いる研究・開発が行われている（例えば、特許文献１ないし特許文献３、および非特許文献２参照）。ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板の下地基板にシリコンのような導電性の材料を選んだ場合には、下地基板の裏面からフィールドプレート効果が付与されるので、高耐電圧や高速スイッチングが可能なＨＥＭＴ素子の設計が可能となる。
【０００６】
特に、特許文献１ないし特許文献３においては、エピタキシャル基板の作製に、様々な比抵抗を持つシリコン基板が用いられている。特許文献１には、寄生損失の低減を図ることを目的として、１０2Ω・ｃｍを越える比抵抗を有するシリコン基板を用いる態様が開示されている。特許文献２には、シリコン基板へのリーク電流の低減を図ることを目的として、１．０Ω・ｃｍ〜５００Ω・ｃｍ程度の比抵抗を有するシリコン基板を用いる態様が開示されている。特許文献３には、一様な断面形状を得ることを目的として、０．０１Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有するｐ型シリコン基板を用いる態様が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００８−５２２４４７号公報
【特許文献２】特開２００３−０５９９４８号公報
【特許文献３】特許第４５１９１９６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"Highly Reliable 250W GaN High Electron Mobility Transistor Power Amplifier" Toshihide Kikkawa, Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005), 4896.
【非特許文献２】"High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdown voltage of over 1.8kV on 4 inch Si substrates and the suppression of current collapse", Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, Sadahiro Kato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semicoductor Devices & IC's May 18-22,2008 Oralando, FL", pp.287-290
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１および特許文献２に開示されているような、比較的高抵抗のシリコン基板を用いた場合、エピタキシャル基板には、シリコン基板とその上に形成されるIII族窒化物膜との格子定数差および熱膨張係数差に起因する内部応力が発生する。そのため、エピタキシャル基板は、例えば断面が波形となるような、いびつな形状に変形する。このように変形したエピタキシャル基板を電子デバイスの作製に供することは、当該デバイスの作製工程において、吸着不良や露光不良の原因となるため、好ましくない。
【００１０】
一方、特許文献３に開示された技術を用いた場合、｜｜ＢＯＷ｜−ＳＯＲＩ｜≦２μｍなる関係式をみたすことで、上述のようないびつな形状への変形は抑制されるが、例えば断面が弓形になる一様な反り（湾曲）は許容される。ところが、エピタキシャル基板のサイズによっては、そのような一様な反りも問題となる。例えば、基板直径が小さいにもかかわらず反りが大きいエピタキシャル基板は、たとえ上式をみたしていたとしても、実用に耐えるものとはなり難い。すなわち、特許文献３においては、エピタキシャル基板のサイズと変形との関係が考慮されていない。
【００１１】
なお、特許文献３においては、反りの矯正について示唆されているが、これは、エピタキシャル基板およびこれを用いたデバイスの作製プロセスにおいて本来的には不要であり、そのような工程を行うことは製造コストを押し上げる要因となるので、好ましくない。
【００１２】
また、ＨＥＭＴ素子のような半導体素子は、通常、所定のパターニングが施された一枚のエピタキシャル基板が複数の素子体に切り出されることによって作製される。反りのあるエピタキシャル基板を用いて作製されたＨＥＭＴ素子には特性不良が生じやすいため、製造歩留まりを確保するという観点からも、エピタキシャル基板には、反りが少なく平坦性が高いことが求められる。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、シリコン基板を下地基板とし、基板サイズに比して問題ない程度に反りが抑制され、半導体素子の作製に好適なエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、シリコン単結晶からなる下地基板と、前記下地基板の上に形成された複数のIII族窒化物層からなるIII族窒化物層群と、を備えるエピタキシャル基板であって、前記下地基板は、所定のｎ型ドーパントが添加されてなることでｎ型の導電性を有し、かつ、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下であり、前記複数のIII族窒化物層はそれぞれ、少なくともＡｌまたはＧａを含み、前記エピタキシャル基板の反り量をＳＲ（単位：μｍ）、前記窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、前記下地基板の膜厚をｔｓ（単位：ｍｍ）、前記下地基板の直径をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数ＫがＫ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝≦１×１０-3なる関係式をみたすことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、前記ｎ型ドーパントがアンチモンまたはヒ素であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、前記III族窒化物層群が、前記下地基板の上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上に形成された機能層と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３に記載のエピタキシャル基板であって、前記機能層が、ＧａＮからなるチャネル層と、前記チャネル層の上に形成された、ＡｌＧａＮもしくはＩｎＡｌＮからなる障壁層と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、前記機能層が、前記チャネル層と前記障壁層との間に、ＡｌＮからなるスペーサ層、をさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１ないし請求項５の発明によれば、下地基板のサイズおよびIII族窒化物層群の膜厚に応じて問題ない程度に反りが抑制されたエピタキシャル基板が実現される。
【００２０】
特に、請求項４および請求項５の発明によれば、エピタキシャル基板を用いてＨＥＭＴ素子を作製した際に、素子特性要件をみたすＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を示す断面模式図である。
【図２】シリコン単結晶にアンチモン、ヒ素、リンを添加した場合のシリコン単結晶中の各元素の原子濃度とシリコン単結晶の比抵抗との関係を示す図である。
【図３】下地基板１の比抵抗ρとエピタキシャル基板１０の規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図４】窒化物層群の総膜厚ｔｅと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図５】下地基板１の直径ｄｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図６】下地基板１の厚みｔｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図７】図３に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０の素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図８】図４に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０の素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【図９】図５および図６に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０の素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜エピタキシャル基板の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１０は、下地基板１の上に、いずれもIII族窒化物からなる下地層２と超格子層３と機能層４とをこの順にエピタキシャル形成した構成を有する。なお、下地層２と超格子層３とを合わせてバッファ層とも称する。
【００２３】
下地基板１は、シリコン単結晶からなる。また、下地基板１は、ｎ型の導電型を呈し、かつ、０．１Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有する。係る導電型および比抵抗は、下地基板１に例えばアンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）などのｎ型ドーパントを添加することで実現されてなる。図２は、シリコン単結晶にアンチモン、ヒ素、リンを添加した場合のシリコン単結晶中の各元素の原子濃度（ドーパント濃度）とシリコン単結晶の比抵抗との関係を示す図である。図２に示すように、これらのドーパントをおよそ１．０×１０17／ｃｍ3以上の原子濃度で添加した場合に、シリコン単結晶は０．１Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有する。ｎ型ドーパントのドーパント濃度を高めるほど、下地基板１の比抵抗を小さくすることができる。例えば、アンチモンについては、少なくとも７×１０18／ｃｍ3程度までは問題なくドープすることができ、これにより、下地基板１の比抵抗は０．００８Ω・ｃｍにまで低められる。ヒ素については、少なくとも８×１０19／ｃｍ3程度までは問題なくドープすることができ、これにより、下地基板１の比抵抗は０．００１Ωｃｍにまで低められる。なお、リンについては、２．０×１０17／ｃｍ3という原子濃度でドープした場合に下地基板１の比抵抗が０．０５Ωｃｍとなるが、さらなるドープを行ってより比抵抗が小さい下地基板１を得ることは困難である。
【００２４】
下地基板１へのｎ型ドーパントの添加は、種々の手法によって実現可能である。例えば、シリコンインゴットをチョクラルスキー法で作製する際に、シリコン融液内にアンチモン、ヒ素、あるいはリンを添加することなどにより行うことができる。
【００２５】
窒化物層群の形成の容易性の点からは、（１１１）面シリコン単結晶を下地基板１として用いるのが好ましいが、他の結晶面を有するシリコン単結晶を用いる態様であってもよい。
【００２６】
下地層２と、超格子層３と、機能層４とは、それぞれ、ウルツ鉱型のIII族窒化物を（０００１）結晶面が下地基板１の基板面に対し略平行となるように、エピタキシャル成長手法によって形成した層である。これらの層の形成は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により行うのが好適な一例である。
【００２７】
下地層２は、その上に上述の各層を良好な結晶品質で形成することを可能とするべく設けられる層である。下地層２は、第１下地層２ａと、その上に積層された第２下地層２ｂとからなる。第１下地層２ａは、ＡｌＮにて数十ｎｍから百数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。第２下地層２ｂは、ＡｌpＧａ1-pＮ（０≦ｐ＜１）なる組成のIII族窒化物にて数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。
【００２８】
超格子層３は、それぞれが相異なる組成の２種類のIII族窒化物層である第１単位層３１と第２単位層３２とを繰り返し交互に積層することにより形成されてなる、超格子構造を有する部位である。なお、１つの第１単位層３１と１つの第２単位層３２との組をペア層と称する。超格子層３は、エピタキシャル基板１０の耐電圧性を高める目的で設けられてなる。
【００２９】
第１単位層３１と第２単位層３２とは、前者を構成するIII族窒化物よりも後者を構成するIII族窒化物の方が無歪の状態（バルク状態）における面内格子定数（格子長）が大きい、という関係をみたすように形成されてなる。
【００３０】
第１単位層３１は、３ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好ましい。典型的には５ｎｍ〜１０ｎｍの厚みに形成される。一方、第２単位層３２は、１０ｎｍ〜２５ｎｍ程度であるのが好適である。また、ペア層の繰り返し数は、５〜百数十程度である。
【００３１】
好ましくは、第１単位層３１はＡｌＮにて構成され、第２単位層３２はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて構成される。
【００３２】
機能層４は、超格子層３の上に形成された、III族窒化物により形成される少なくとも１つの層であり、エピタキシャル基板１０の上にさらに所定の半導体層や電極などを形成することで半導体素子を構成する場合において、所定の機能を発現する層である。それゆえ、機能層４は、当該機能に応じた組成および厚みを有する１または複数の層にて形成される。
【００３３】
図１においては、エピタキシャル基板１０がＨＥＭＴ素子用の基板として用いられることを想定して、機能層４を、チャネル層４ａとスペーサ層４ｂと障壁層４ｃとの積層構造として設けた場合を例示している。チャネル層４ａは、高抵抗のＧａＮにて数μｍ程度の厚みに形成される。スペーサ層４ｂは、ＡｌＮにて１ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。障壁層４ｃは、ＡｌＧａＮやＩｎＡｌＮなどにて数十ｎｍ程度の厚みに形成される。なお、スペーサ層を備えない構造であってもよい。
【００３４】
＜エピタキシャル基板の製造方法＞
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合を例として、エピタキシャル基板１０を製造する方法について概説する。
【００３５】
まず、下地基板１として、アンチモン、ヒ素、あるいはリンなどのｎ型ドーパントの添加によって比抵抗が所定の値に調整された（１１１）面の単結晶シリコンウェハーを用意する。係る単結晶シリコンウェハーをフッ素水素酸水溶液にて洗浄する。その後、該水溶液が除去された単結晶シリコンウェハーをＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットする。
【００３６】
そして、水素および窒素雰囲気中で単結晶シリコンウェハーを加熱し、それぞれの層に応じた基板温度とガス雰囲気および圧力のもとで、下地層２、超格子層３、および機能層４を順次に形成する。
【００３７】
III族窒化物層を形成するための原料ガスとしては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いることができる。
【００３８】
機能層４が形成された後、エピタキシャル基板１０は、リアクタ内で常温まで降温される。その後、リアクタから取り出されたエピタキシャル基板１０は、適宜、後段の処理（電極層のパターニングなど）に供される。
【００３９】
＜規格化反り指数＞
次に、本実施の形態において用いる規格化反り指数について説明する。規格化反り指数とは、エピタキシャル基板１０の反りの程度を表す指数であり、値が大きいほど、エピタキシャル基板１０が反っていることを表す。
【００４０】
エピタキシャル基板１０の反り量（単純反り量）をＳＲ（単位：μｍ）、窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、下地基板１の厚みをｔｓ（単位：ｍｍ）、下地基板１の直径（つまりはエピタキシャル基板１０の直径）をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数Ｋは、
Ｋ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝ ・・・・（１）
なる式にて算出される。ここで、単純反り量とは、一般的に反りの程度を表す値として用いられる、エピタキシャル基板１０を水平面に載置したときに、その鉛直方向最下点の位置（つまりは水平面の位置）から鉛直方向最上点の位置までの鉛直方向の距離である。単純反り量は、例えば、レーザー変位計を用いて測定される。あるいは、ノギスなどによって概略的な値を得ることできる。
【００４１】
（１）式に示すように、規格化反り指数は、窒化物層群の膜厚、下地基板１の直径、および下地基板１の厚みの３つの値を算出式に含んでいる。従って、それら３つの値が異なっているエピタキシャル基板１０同士であっても、反りの度合いを比較することができる点で特徴的である。
【００４２】
例えば、仮に単純反り量ＳＲ、窒化物層群の総膜厚ｔｅ、および下地基板１の厚みｔｓが同じであっても、下地基板１の直径（つまりはエピタキシャル基板１０の直径）ｄｓが小さいほど、（１）式で得られる規格化反り指数Ｋの値は大きくなる。これは、単純反り量ＳＲが同じであれば、直径が小さいエピタキシャル基板１０ほど、実質的にはより反っている、換言すれば、基板全体としての平坦性（平板性）が劣っている、ということを意味している。
【００４３】
このように、（１）式で得られる規格化反り指数Ｋを用いることで、サイズが異なるエピタキシャル基板１０同士であっても、反りの度合いを比較することが可能となる。
【００４４】
＜エピタキシャル基板の反り評価＞
次に、上述の構成を有する本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０を規格化反り指数Ｋに基づいて評価した場合の反りの度合いについて説明する。
【００４５】
図３は、下地基板１の比抵抗ρとエピタキシャル基板１０の規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図３に示す結果は、アンチモン、ヒ素、あるいはリンの添加量を違えることによって比抵抗を種々に違えた複数の下地基板１に、同一の条件で窒化物層群を形成することによって作製した複数のエピタキシャル基板１０について、規格化反り指数Ｋを求めることにより得られたものである。
【００４６】
図３からは、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０のように、下地基板１の比抵抗を０．１Ω・ｃｍ以下とした場合に、規格化反り指数Ｋがおよそ１×１０-3以下となることがわかる。また、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下である場合、比抵抗の値が同じであればＳｂドープがもっとも規格化反り指数Ｋの値が小さくなることもわかる。
【００４７】
また、図４は、窒化物層群の総膜厚ｔｅと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図４は、比抵抗が０．０２Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、または０．１Ω・ｃｍとなるようにアンチモンの添加量を調整した下地基板１を用意したうえで、窒化物層群の総膜厚を違えたエピタキシャル基板１０を作製し、それぞれについて規格化反り指数Ｋを求めることにより得られたものである。
【００４８】
さらに、図５は、下地基板１の直径ｄｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図６は、下地基板１の厚みｔｓと規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。図５および図６に示す結果は、直径と厚みを違えた下地基板１を用意し、比抵抗が０．０２Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、または０．１Ω・ｃｍとなるようにアンチモンの添加量を調整したうえで、エピタキシャル基板１０を作製し、それぞれについて規格化反り指数Ｋを求めることにより得られたものである。
【００４９】
図３ないし図６に示す結果は、本実施の形態のように、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下のｎ型の導電性を呈する下地基板１を用いることで、窒化物層群の総膜厚、下地基板１の直径、または下地基板１の厚みが異なっていても、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下という反りの少ないエピタキシャル基板１０を得ることが可能であることを意味している。
【００５０】
なお、図４では、比抵抗が０．１Ω・ｃｍの下地基板１を用いる場合、窒化物層群の総膜厚が３μｍを下回ると規格化反り指数Ｋが急激に増大している。このことは、比抵抗が０．１Ω・ｃｍである下地基板１を用いる場合、反りを抑制するには窒化物層群を厚く形成するのが好ましいことを示している。
【００５１】
＜ＨＥＭＴ素子の作製におけるエピタキシャル基板の反り抑制効果＞
次に、エピタキシャル基板１０の反りの抑制が、ＨＥＭＴ素子の作製に際して奏する効果について説明する。
【００５２】
ＨＥＭＴ素子が実用に供し得るものであるためには、二次元電子ガス濃度、二次元電子ガス移動度、コンタクト抵抗、およびゲートリーク電流などの諸特性が良好であることが必要である。具体的には、少なくとも次の４つの基準をクリアすることが求められる。
【００５３】
（基準１）二次元電子ガス濃度が２．０×１０13ｃｍ-2以上；
（基準２）二次元電子ガス移動度が１３００ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1以上；
（基準３）コンタクト抵抗が１０×１０-6Ωｃｍ2以下；
（基準４）−１００Ｖ印加時のゲートリーク電流が１．０μＡｍｍ-1以下。
【００５４】
以下、これら４つの基準を素子特性基準と総称する。エピタキシャル基板１０を用いて作製したＨＥＭＴ素子は、係る素子特性基準をみたすことが求められる。しかも、ＨＥＭＴ素子は通常、１枚のエピタキシャル基板１０から多数個取りされるので、個々のエピタキシャル基板１０についてみれば、該基板から得られる全てのＨＥＭＴ素子のうち、素子特性基準をみたすＨＥＭＴ素子の比率が高いことが求められる。以下、係る比率を素子特性歩留まりと称する。
【００５５】
図７は、図３に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０から複数個のＨＥＭＴ素子を作製し、それぞれの二次元電子ガス濃度、二次元電子ガス移動度、コンタクト抵抗、およびゲートリーク電流を測定することにより得られた、エピタキシャル基板１０ごとの素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。同様に、図８は、図４に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０についての素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。また、図９は、図５および図６に示した結果を与えたそれぞれのエピタキシャル基板１０についての素子特性歩留まりと、規格化反り指数Ｋとの関係を示す図である。
【００５６】
図７ないし図９に示す結果からは、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下であるエピタキシャル基板１０については、８０％以上という優れた素子特性歩留まりが実現されているのに対して、規格化反り指数Ｋが１×１０-3を上回るエピタキシャル基板１０については、素子特性歩留まりが悪いことがわかる。
【００５７】
係る結果は、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下という反りの小さいエピタキシャル基板１０を用いることで、高い素子特性歩留まりにてＨＥＭＴ素子を作製出来ることを意味している。すなわち、規格化反り指数Ｋと素子特性歩留まりとの間には相関がある。換言すれば、規格化反り指数Ｋは、エピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴ素子を作製する際の素子特性歩留まりの評価指標ともなる。
【００５８】
また、上述したように、規格化反り指数Ｋが１×１０-3以下となるエピタキシャル基板１０は、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下のｎ型の導電性を呈する下地基板１を用いることで実現される。従って、係る要件をみたす下地基板１を用いてエピタキシャル基板１０を作製すれば、高い素子特性歩留まりにてＨＥＭＴ素子を作製出来ることになる。
【００５９】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下のｎ型の導電性を呈する下地基板１を用いてエピタキシャル基板を作製することで、下地基板のサイズおよびIII族窒化物層群の膜厚に応じて問題ない程度に反りが小さく、高い素子特性歩留まりにてＨＥＭＴ素子を作製出来るエピタキシャル基板が実現される。
【実施例】
【００６０】
作製条件を違えた種々のエピタキシャル基板１０を作製し、単純反り量ＳＲを測定してそれぞれの規格化反り指数Ｋを求めた。さらに、それぞれのエピタキシャル基板１０から多数個のＨＥＭＴ素子を作製して、二次元電子ガス濃度測定、二次元電子ガス移動度測定、コンタクト抵抗測定、およびゲートリーク電流測定を行い、その結果から、それぞれのエピタキシャル基板１０についての素子特性歩留まりを評価した。
【００６１】
（実験例１ないし実験例３）
実験例１として、下地基板１として、アンチモンの添加量（原子濃度）を違えることで異なる比抵抗を有する複数のｎ型シリコン（１１１）面単結晶基板を用意し、これを用いて４種類のエピタキシャル基板１０を作製した（試料Ｎｏ．１−１〜１−４）。それぞれの下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓは１００ｍｍ、厚みｔｓは０．６２５ｍｍであった。
【００６２】
比抵抗は、０．００５Ω・ｃｍ、０．０１Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、０．１Ω・ｃｍの４水準に違えた。それぞれの比抵抗を与えるアンチモンの原子濃度は、順に、５．０×１０18／ｃｍ3、１．５×１０18／ｃｍ3、３．０×１０17／ｃｍ3、１．０×１０17／ｃｍ3であった。
【００６３】
また、実験例２として、ヒ素の添加量（原子濃度）を違えることで異なる比抵抗を有する複数のｎ型シリコン（１１１）面単結晶基板を用意し、これを用いて６種類のエピタキシャル基板１０を作製した（試料Ｎｏ．２−１〜２−６）。それぞれの下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓは１００ｍｍ、厚みｔｓは０．６２５ｍｍであった。
【００６４】
比抵抗は、０．００３Ω・ｃｍ、０．０１Ω・ｃｍ、０．０２Ω・ｃｍ、０．０５Ω・ｃｍ、０．１Ω・ｃｍ、０．２Ω・ｃｍの６水準に違えた。それぞれの比抵抗を与えるヒ素の原子濃度は、順に、２．４×１０19／ｃｍ3、４．１×１０18／ｃｍ3、１．２×１０18／ｃｍ3、２．３×１０17／ｃｍ3、８．０×１０16／ｃｍ3、３．２×１０16／ｃｍ3であった。
【００６５】
さらに、実験例３として、リンの添加量（原子濃度）を違えることで異なる比抵抗を有する複数のｎ型シリコン（１１１）面単結晶基板を用意し、これを用いて３種類のエピタキシャル基板１０を作製した（試料Ｎｏ．３−１〜３−３）。それぞれの下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓは１００ｍｍ、厚みｔｓは０．６２５ｍｍであった。
【００６６】
比抵抗は、０．０５Ω・ｃｍ、０．１Ω・ｃｍ、０．５Ω・ｃｍの３水準に違えた。それぞれの比抵抗を与えるリンの原子濃度は、順に、２．０×１０17／ｃｍ3、８．０×１０16／ｃｍ3、１．０×１０16／ｃｍ3であった。
【００６７】
それぞれのエピタキシャル基板の作製に際しては、まず、下地基板１をフッ素水素酸水溶液にて洗浄した。そして、フッ素水素酸水溶液が除去された下地基板１をＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットした。
【００６８】
これを水素及び窒素雰囲気中で加熱して、基板温度を１１００℃とした。基板温度が１１００℃になると、これを保った状態で、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ3）の供給量を各層の組成に合わせて調整することにより窒化物層群を形成した。具体的には、第１下地層２ａとしての膜厚１００ｎｍのＡｌＮ層と、第２下地層２ｂとしての膜厚５０ｎｍのＡｌＧａＮ層と、第１単位層３１として膜厚５ｎｍのＡｌＮ層と第２単位層３２としての膜厚２０ｎｍのＡｌＧａＮ層とを交互に７４ペア積層させて形成した総膜厚が１８５０ｎｍの超格子層３と、チャネル層４ａとしての膜厚９８９ｎｍのＧａＮ層と、スペーサ層４ｂとしての膜厚１ｎｍのＡｌＮ層と、障壁層４ｃとしての膜厚１０ｎｍのＩｎＡｌＮ層とからなる総膜厚１０００ｎｍの機能層４とをこの順に積層形成した。これにより、窒化物層群の総膜厚が３０００ｎｍのエピタキシャル基板１０が得られた。
【００６９】
得られたそれぞれのエピタキシャル基板１０について、レーザー変位計を用いて単純反り量ＳＲを測定した。得られた値を用いて、規格化反り指数Ｋを算出した。
【００７０】
さらに、それぞれのエピタキシャル基板１０を用いて、多数個のＨＥＭＴ素子を作製した。なお、ＨＥＭＴ素子は、ゲート幅が１ｍｍ、ソース−ゲート間隔が０．５μｍ、ゲート−ドレイン間隔が７．５μｍ、ゲート長が１．５μｍとなるように設計した。
【００７１】
まず、フォトリソグラフィプロセスとＲＩＥ法を用いて、エピタキシャル基板１０において個々のＨＥＭＴ素子の境界となる部位を深さ４００ｎｍ程度までエッチング除去した。
【００７２】
次に、エピタキシャル基板１０の上に厚さ１０ｎｍのＳｉＯ2膜を形成し、続いてフォトリソグラフィを用いてソース電極、ドレイン電極の形成予定箇所のＳｉＯ2膜をエッチング除去することで、ＳｉＯ2パターン層を得た。
【００７３】
次いで、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとを用い、ソース電極、ドレイン電極の形成予定箇所にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／７５／１５／１００ｎｍ）からなる金属パターンを形成することで、ソース電極およびドレイン電極を形成した。次いで、ソース電極およびドレイン電極のオーミック性を良好なものにするために、８００℃の窒素ガス雰囲気中にて３０秒間の熱処理を施した。
【００７４】
その後、フォトリソグラフィプロセスを用いて、ＳｉＯ2パターン層から、ゲート電極の形成予定箇所のＳｉＯ2膜を除去し、さらに真空蒸着法とフォトリソグラフィとを用いて、該形成予定箇所に、Ｐｄ／Ａｕ（それぞれの膜厚は３０／１００ｎｍ）からなるショットキー性金属パターンとしてゲート電極を形成した。
【００７５】
続いて、デバイス特性の測定を可能とするため、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィプロセスとを用いて、窒化シリコンのパッシベーション膜をエピタキシャル基板１０の上に形成したうえで、該パッシベーション膜のソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極に対応する位置にワイヤボンディング用のコンタクトホールを開けた。
【００７６】
最後にダイシングによりチップ化することで、ＨＥＭＴ素子を得た。
【００７７】
このようにして得られたそれぞれのＨＥＭＴ素子について、ワイヤボンディングを行った上で、ホール効果法により、二次元電子ガス濃度と二次元電子ガス移動度とを測定した。また、ＴＬＭ法によりコンタクト抵抗を測定し、2-terminal gate-drain I-V測定法により−１００Ｖ印加時のゲートリーク電流を測定した。これらの測定結果から、それぞれのエピタキシャル基板１０について、作製した全てのＨＥＭＴ素子に対する上述の（基準１）〜（基準４）を全て満たすＨＥＭＴ素子の比率を、素子特性歩留まりとして求めた。
【００７８】
表１に、それぞれのエピタキシャル基板１０についての、下地基板１の比抵抗、下地基板１におけるｎ型ドーパントの種類とその原子濃度、単純反り量ＳＲ、規格化反り指数Ｋ、および素子特性歩留まりを一覧にして示す。なお、これら実験例１ないし実験例３の結果に基づき作成したのが、図２、図３、図７である。
【００７９】
【表１】
【００８０】
表１さらには図３、図７に示すように、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の場合、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。すなわち、反りが抑制され、かつ、ＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで作製可能なエピタキシャル基板が得られることが確認された。
【００８１】
（実験例４）
バッファ層の厚みを違えることで、III族窒化物層群の総膜厚ｔｅを種々に違えた他は、実験例１の試料Ｎｏ．１−２（比抵抗ρ＝０．０２Ω・ｃｍ）、１−３（比抵抗ρ＝０．０５Ω・ｃｍ）、および１−４（比抵抗ρ＝０．１Ω・ｃｍ）と同様の条件でそれぞれ５種ずつ計１５種のエピタキシャル基板１０を作製（試料Ｎｏ．４−１〜４−１５）し、さらに係るエピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴを作製した。なお、試料Ｎｏ．４−３のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−２のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．４−８のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−３のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．４−１３のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−４のエピタキシャル基板１０に相当する。
【００８２】
具体的には、超格子層３におけるペア層の数を違えることで、III族窒化物層群の総膜厚ｔｅの値を違えた。各試料における超格子層３のペア数と総膜厚の関係は以下の通りである。
【００８３】
試料Ｎｏ．４−１、４−６、４−１１：１４ペア、総膜厚１．５μｍ；
試料Ｎｏ．４−２、４−７、４−１２：３４ペア、総膜厚２．０μｍ；
試料Ｎｏ．４−３、４−８、４−１３：７４ペア、総膜厚３．０μｍ；
試料Ｎｏ．４−４、４−９、４−１４：１１４ペア、総膜厚４．０μｍ；
試料Ｎｏ．４−５、４−１０、４−１５：１５４ペア、総膜厚５．０μｍ。
【００８４】
表２に、それぞれのエピタキシャル基板１０についての、下地基板１の比抵抗、下地基板１におけるアンチモンの原子濃度、バッファ層厚および窒化物層群の総膜厚ｔｅ、単純反り量ＳＲ、規格化反り指数Ｋ、および素子特性歩留まりを一覧にして示す。なお、これら実験例５の結果に基づき作成したのが図４、図８である。
【００８５】
【表２】
【００８６】
表２さらには図４、図８に示すように、下地基板１の比抵抗が０．０２Ω・ｃｍであるＮｏ．４−１〜４−５の試料と下地基板１の比抵抗が０．０５Ω・ｃｍであるＮｏ．４−６〜４−１０の試料については全て、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。また、比抵抗が０．１Ω・ｃｍの場合においても、総膜厚ｔｅが大きい試料Ｎｏ．４−１３ないし４−１５については、規格化反り指数Ｋの値は１×１０-3以下で、素子特性歩留まりが８０％を上回った。
【００８７】
係る結果は、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の場合には、窒化物層群の総膜厚を下地基板１の比抵抗に応じて定めることで、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下という反りが抑制されたエピタキシャル基板１０を得ることが可能であること、および、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下のエピタキシャル基板については、ＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで作製可能であることを示している。
【００８８】
（実験例５）
下地基板１の直径（エピタキシャル基板１０の直径）ｄｓと厚みｔｓとを種々に違えた他は、実験例１の試料Ｎｏ．１−２（比抵抗ρ＝０．０２Ω・ｃｍ）、１−３（比抵抗ρ＝０．０５Ω・ｃｍ）、および１−４（比抵抗ρ＝０．１Ω・ｃｍ）と同様の条件でそれぞれ６種ずつ計１８種のエピタキシャル基板１０を作製（試料Ｎｏ．５−１〜５−１８）し、さらに係るエピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴを作製した。なお、試料Ｎｏ．５−４のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−２のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．５−１０のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−３のエピタキシャル基板１０に相当し、試料Ｎｏ．５−１６のエピタキシャル基板１０が試料Ｎｏ．１−４のエピタキシャル基板１０に相当する。
【００８９】
表３に、それぞれのエピタキシャル基板１０についての、下地基板１の比抵抗、下地基板１におけるアンチモンの原子濃度、下地基板１の直径ｄｓ、下地基板１の膜厚ｔｅ、単純反り量ＳＲ、規格化反り指数Ｋ、および素子特性歩留まりを一覧にして示す。なお、これら実験例５の結果に基づき作成したのが図５、図６、図９である。
【００９０】
【表３】
【００９１】
表３さらには図５、図６、図９に示すように、下地基板１の比抵抗が０．０２Ω・ｃｍであるＮｏ．５−１〜５−６の試料と下地基板１の比抵抗が０．０５Ω・ｃｍであるＮｏ．５−７〜５−１２の試料については全て、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。一方、比抵抗が０．１Ω・ｃｍの場合、Ｎｏ．５−１３の試料についてのみ、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3を上回り、素子特性歩留まりは８０％を下回ったが、他の試料については、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下となり、素子特性歩留まりが８０％を上回った。
【００９２】
係る結果は、下地基板１の比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の場合には、下地基板１の直径および厚みを下地基板１の比抵抗に応じて定めることで、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下という反りが抑制されたエピタキシャル基板１０を得ることが可能であること、および、規格化反り指数Ｋの値が１×１０-3以下のエピタキシャル基板については、ＨＥＭＴ素子を高い歩留まりで作製可能であることを示している。
【符号の説明】
【００９３】
１ 下地基板
２ 下地層
２ａ 第１下地層
２ｂ 第２下地層
３ 超格子層
３１ 第１単位層
３２ 第２単位層
４ 機能層
４ａ チャネル層
４ｂ スペーサ層
４ｃ 障壁層
１０ エピタキシャル基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶からなる下地基板と、
前記下地基板の上に形成された複数のIII族窒化物層からなるIII族窒化物層群と、を備えるエピタキシャル基板であって、
前記下地基板は、所定のｎ型ドーパントが添加されてなることでｎ型の導電性を有し、かつ、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下であり、
前記複数のIII族窒化物層はそれぞれ、少なくともＡｌまたはＧａを含み、
前記エピタキシャル基板の反り量をＳＲ（単位：μｍ）、前記窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、前記下地基板の膜厚をｔｓ（単位：ｍｍ）、前記下地基板の直径をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数Ｋが
Ｋ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝≦１×１０-3
なる関係式をみたすことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項２】
請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、
前記ｎ型ドーパントがアンチモンまたはヒ素であることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、
前記III族窒化物層群が、
前記下地基板の上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成された機能層と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項４】
請求項３に記載のエピタキシャル基板であって、
前記機能層が、
ＧａＮからなるチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成された、ＡｌＧａＮもしくはＩｎＡｌＮからなる障壁層と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項５】
請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、
前記機能層が、前記チャネル層と前記障壁層との間に、
ＡｌＮからなるスペーサ層、
をさらに備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項１】
シリコン単結晶からなる下地基板と、
前記下地基板の上に形成された複数のIII族窒化物層からなるIII族窒化物層群と、を備えるエピタキシャル基板であって、
前記下地基板は、所定のｎ型ドーパントが添加されてなることでｎ型の導電性を有し、かつ、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下であり、
前記複数のIII族窒化物層はそれぞれ、少なくともＡｌまたはＧａを含み、
前記エピタキシャル基板の反り量をＳＲ（単位：μｍ）、前記窒化物層群の総膜厚をｔｅ（単位：μｍ）、前記下地基板の膜厚をｔｓ（単位：ｍｍ）、前記下地基板の直径をｄｓ（単位：ｍｍ）とするときに、規格化反り指数Ｋが
Ｋ＝｛（ＳＲ／ｔｅ）×（ｔｓ／ｄｓ）2｝≦１×１０-3
なる関係式をみたすことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項２】
請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、
前記ｎ型ドーパントがアンチモンまたはヒ素であることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、
前記III族窒化物層群が、
前記下地基板の上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成された機能層と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項４】
請求項３に記載のエピタキシャル基板であって、
前記機能層が、
ＧａＮからなるチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成された、ＡｌＧａＮもしくはＩｎＡｌＮからなる障壁層と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項５】
請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、
前記機能層が、前記チャネル層と前記障壁層との間に、
ＡｌＮからなるスペーサ層、
をさらに備えることを特徴とするエピタキシャル基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１８６２６８（Ｐ２０１２−１８６２６８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４７４７２（Ｐ２０１１−４７４７２）
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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